Испытание гвоздевого соединения на сдвиг. Теоретическое обоснование, протокол испытания

Лабораторная работа № 4

Испытание гвоздевого соединения на сдвиг

Цель работы: в ходе испытания соединения на сдвиг определить величины,  характеризующие несущую способность и деформативность гвоздевого соединения: разрушающую нагрузку N_u, кН;  верхнюю границу упругой области работы N_1-2, кН; взаимные смещения соединяемых элементов под нагрузкой δ, мм; временную характеристику t, мин.

Сопоставить экспериментально полученные характеристики соединения с требованиями норм проектирования по СниП II-25-80.

Теоретическое обоснование

Гвоздевые соединения относятся к группе нагельных соединений и отличаются от них только тем, что гвозди устанавливаются без предварительного сверления отверстии в соединяемых элементах. Гвоздевые соединения просты, но трудоемки в изготовлении и применяются лишь при небольшом объеме изготавливаемых конструкций. Для строительных конструкций применяются гвозди диаметром 3,4, 5 и 6 мм, длиной 80,100, 150 и 200 мм по ГОСТ 4028-63*. изготавливаемые из холоднотянутой стальной проволоки.

Гвозди забивают в древесину ударами ручного или пневматического молотка.  Гвоздь при забивке раздвигает и разрывает волокна древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками. Благодаря этому он прочно удерживается в древесине и хорошо сопротивляется выдергиванию, но при этом появляются дополнительные напряжения растяжению поперек волокон. Кроме этого, малая изгибная жесткость гвоздей приводит к повышенной ползучести гвоздевых соединений при длительно действующих нагрузках.

Гвозди устанавливают прямыми или косыми рядами, а также в шахматном порядке (рис. 1) таким образом,  чтобы не допустить раскалывания древесины соединяемых элементов. Диаметр d гвоздя не должен быть больше чем ¼ толщины а соединяемого элемента. Расстояния s между осями гвоздей зависят от отношения, а/d и принимаются равными:

s₁≥15d при а/d ≥10 и s₁≥25d при а/d=4

s₂=s₃≥4d при забивке прямыми рядами

s₃=3d при забивке косыми рядами.

Конструируя соединения на гвоздях, следует избегать трудно контролируемых скрытых гвоздевых забоев. Для повышения надежности следует предусматривать в соединении некоторое количество стяжных болтов

рис. 1. Соединения на изгибаемых гвоздях:

а - с расстановкой пряными рядами; б - косыми рядами; в - в шахматном порядке

Порядок выполнения работы

Материалы и инструменты: деревянные заготовки размерами 100*40, L=180 мм;  гвозди d=4 мм, L= 100 мм; шаблон гвоздевого забоя; штангенциркуль с погрешностью 0,1 мм,  линейка или рулетка, два индикатора с ценой деления 0,01 мм; две обоймы для крепления индикаторов; два опорных столика; шаровая опора и призма для нагружения образца, испытательная машина Р-5, журнал для записи результатов испытаний.

1. Выполняем обмеры стыка и его элементов с точностью до 1 мм: а=39 мм; b=100 мм; с= 39 мм;h=200 мм.

Рис.2. Образец для испытания на сдвиг гвоздевого соединения

2. Выполнить обмеры гвоздя d=4 мм;

3. Проверяем расстояния в гвоздевом забое:

а) от торцов элемента до оси гвоздя вдоль волокон s₁=60 мм;

б) между осями гвоздей вдоль волокон s₁=60 мм;

в) между осями гвоздей поперек волокон s₂=40 мм;

г) от кромок элемента до оси гвоздя поперек волокон s₃=30 мм.

Сравниваем измеренные величины с требованиями расстановки гвоздей по п. 5.20 СниП II-25-80 и зарисовываем схему испытательного образца.

4. Вычисляем расчетное значение несущей способности одного среза гвоздя (Т_гв, кН) по табл. 17 СниП II-25-80, по наименьшему из условий:

а) смятия древесины в среднем элементе

Т_с=0,5сd=0,5*39*4=78 кгс б) смятия древесины в крайнем элементе

Т_а=0,8аd=0,8*39*4=124,8 кгс                                             

в) изгиба гвоздя

Т_и=2,5d²+0,01а² , но не более 4d²                                           

Т_и=2,5*4²+0,01*39²=55,4 кН≤4*4²=64 кгс

Если расчетная длина а₁ защемленной части гвоздя меньше толщины крайнего элемента а, необходимо в формулах (а) и (в) вместо а подставить расчетную длину а₁ защемленной части гвоздя (рис.2).

5. Определяем расчетную несущую способность соединения

N_n=Т_гвnm_ср=55,21*4*2=441,68 кгс                                         

где n - число гвоздей в соединении; m_ср  - число плоскостей среза гвоздя.

Теоретически ожидаемая разрушающая нагрузка составит:

N_t =(3-4)N_n=(3-4)*441,68=1325-1767 кгс

Назначаем ступень нагружения,  которая должна составлять не более 20% от расчетной несущей способности соединения

ΔN=0,2N_n                                                                     

6.  Устанавливаем на боковые грани образца измерительные приборы для наблюдения за деформациями сдвига.  Приборы в целях предупреждения повреждения в процессе нагружения необходимо устанавливать таким образом,  чтобы штоки индикаторов работали на выход.

7. Проводим машинные испытания образца равномерно возрастающей нагрузкой до разрушения, снимая показания приборов при нагрузках, соответствующих ступеням нагружения.

Результаты измерений заносим в таблицу 1.